摘要：针对传统的视点丈量设备体积巨大，丈量精度低，实时性差等问题，介绍了一种空间物体三维姿势监测体系，其运用三轴加速度传感器监测空间物体的横摆角和俯仰角，运用三轴地磁传感器，结合加速度传感器对其进行批改，监测空间物体的滚转角，监测数据经过Zigbee无线通讯网络传输至监测终端进行数据的实时显现与存储。测验试验证明体系具有运用灵敏、丈量精度高，实时性好等长处。
视点丈量是几许量计量技能的重要组成部分，广泛应用于工业、修建、军事、航空、帆海以及通讯等各种范畴。在经济建造、国防建造和科学技能各部门都离不开视点丈量问题，比如切削刀具的丈量，零件有关视点的丈量，仪器或机床导轨的查验和装调，以及地舆研讨、大地丈量、水利、交通建造、导弹和卫星的发射等。跟着工业现代化的进程的加速，对视点丈量技能的要求也越来越高，从传统的离线、抽监丈量到现在的在线接连丈量;从人工丈量到现在的主动或半主动丈量;从指针式按钮式的机械外表到后来的数字式外表;从朴实的硬件电路丈量体系到虚拟体系。可是，传统的视点丈量技能存在设备体积巨大，丈量延时大、精度低一级缺陷，大都情况下不能实时动态丈量，并且不能施行非触摸式丈量，尤其是在不易带着的户外以及某些需求大密度丈量的场合，传统的视点丈量仪器更是力不从心。
近年来，跟着MEMS技能的快速开展和现代短间隔无线通讯技能的逐步老练，无线传感器技能得到了飞速开展。无线传感器运用便利、布置便利，十分合适临时性传感器网络，或布线困难环境恶劣区域传感器网络的布设。并且无线传感器成本低、功耗少，可大规模布设，长期运用。
因而，将传感器技能、无线通讯技能、网络技能等多种技能融为一体，构建具有环境习惯能力强、布设简略的无线传感器网络成为实际。本体系拟规划一种包含加速度传感器和地磁的传感器监测体系，结合依据Zigbee技能的无线通讯网络，完结对动态视点的无线准确在线监测。
1 总体规划
空间物体三维姿势监测体系包含三轴加速度传感器、三轴地磁传感器、中央处理单元、Zigbee无线通讯模块和监测终端等设备，如图1所示。中央处理单元首要用于各传感器数据的读取，并经过相关算法计算出三维动态视点值，包含：横摆角γ、俯仰角θ和滚转角ψ。选取正北方向为x轴树立坐标系，垂直于水平面方向为z轴，依据右手定则则能够确认y轴方向，绕x轴方向旋转的视点称为滚转角ψ，绕y轴方向旋转的视点称为俯仰角θ，绕z轴方向旋转的视点称为横摆角γ。三轴加速度传感器用于丈量空间物体三维加速度值ax、ay、az，完结对空间物体的横摆角γ和俯仰角θ的监测。三轴地磁传感器用于丈量空间物体三维地磁感应强度重量mx、my、mz，并结合加速度传感器对其进行批改，监测空间物体的滚转角ψ。Zigbee无线通讯模块用于中央处理单元和监测终端之间监测数据和控制指令的无线传输，监测数据经过Zigbee无线通讯网络传输至监测终端进行数据的实时显现与存储，而监测终端也能够经过Zigbee无线通讯模块对各个监测设备进行作业参数和启停动作的设置。依据无线传感器网络的视点监测体系由监测终端和若干监测节点组成，能够完结一起对多个节点的监测。
2 体系硬件规划
为了完结空间物体三维姿势的实时、高精度、无线监测。咱们挑选TI公司的低功耗单片机MSP430F149为监测节点的中心处理器，三轴加速度计选用ADI公司出产的ADX1345，地磁传感器挑选Honeywell公司研发的三轴数字式磁阻传感器HMC5843。依据通讯间隔，Zigbee无线通讯模块选用TI公司的CC2530。
2.1 主控制器
监测节点的MCU挑选TI公司的低功耗单片机MSP430F149，其衔接简略外围电路构成最小体系，用于收集和处理加速度传感器和地磁传感器的数据，终究经过相关算法，转换成空间物体三维姿势数据。MSP430F149选用16位精简指令体系，集成有16位寄存器和常数发生器，具有48个通用I/O，2个串行通讯模块，2个定时器模块。MSP430F149运转速度快，指令周期只要125nS。MSP430F169单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗规划理念。
2.2 Zigbee无线通讯模块
Zigbee无线通讯模块挑选CC2530。CC2530是TI公司在2.4 GHz频段推出的第二代支撑IEEE 802.15.4/ZigBee协议的片上体系(System On a Chip，SOC)芯片。其内部集成了高性能射频(Radio Frequency，RF)收发器、工业规范增强型8051 MCU内核、256KB FlashROM(Read-Only Memory)和8KB RAM(Random Access Memory)。具有低功耗，组网便利等特色，其电路原理图如图2所示。
2.3 三轴加速度计
加速度计选用ADI公司出产的ADXL345，它是一款数字式三轴加速度传感器，ADXL345最大量程能够到达±16g，灵敏度为39 mg/LSB，其具有体积小、重量轻、功耗低一级长处，经过SPI接口和主控制器通讯。电路原理图如图3所示。
2.4 三轴地磁传感器
地磁传感器挑选Honeywell公司研发的三轴数字式磁阻传感器HMC5843，经过I2C接口和中央处理单元相衔接，它与传统的单轴或双轴磁阻传感器比较具有如下优势：能够完结X、Y、Z三轴磁场一起测验，丈量规模更广，体积更小，集成度更高。其电路原理图如图4所示。
2.5 电源电路
电源部分为芯片及外围电路供给电压，咱们选用3.7 V锂电池为其供电，因为体系中所用到芯片需求在3.3 V的电压下才干安稳作业，所以加上了0.5 V稳压管，这样能够安稳输出3.3 V电压。
3 体系软件规划
3.1 主程序规划
体系上电完结初始化后，读取监测终端发送的控制指令，假如为开端作业，则读取三轴加速度传感器丈量出的空间物体三维加速度值ax、ay、az，然后进入加速度处理子程序对其进行运算处理，得出空间物体的滚转角ψ、俯仰角θ。持续读取三轴地磁传感器丈量出的空间物体三维地磁感应强度重量mx、my、mz，结合加速度传感器对其进行批改，经过地磁处理子程序得出横摆角γ的值。终究经过Zigbee无线通讯模块将数据传输至监测终端进行数据的实时显现与存储;假如为作业中止，则中止以上监测数据的收集、处理。体系主程序流程图如图5所示。
3.2 加速度数据处理子程序
滚转角ψ、俯仰角θ和横摆角γ分别是绕x轴、y轴和z轴的旋转视点，三轴加速度传感器丈量出空间物体三维加速度值分别为ax、ay、az，考虑到反正弦函数的值域为
，由三角函数联系可知：
3.3 地磁数据批改子程序
三轴地磁传感器丈量出空间物体三维地磁感应强度重量分别为mx、my、mz，在没有外界磁场搅扰的情况下，咱们近似以为地磁的方向是地舆的由南向北水平方向的，因为空间物体在绕轴、轴方向上有倾角，要将其分化到水平面上，结合加速度传感器对三维地磁感应强度重量进行批改，得出在轴方向和轴方向上的地磁感应强度重量m_x和m_y如下：
m—x=mxcosθ-mysinψsinθ-mzcosψsinθ (3)
m_y=mycosψ-mxsinψsinθ-mzsinψcosθ (4)
3.4 地磁数据处理子程序
由地磁数据批改子程序得出的在轴方向和轴方向上的地磁感应强度重量分别为m_x和m_y，考虑到反正弦函数的值域为
，则横摆角的取值如下：
4 定论
本文完结了依据无线传感器网络的视点监测体系的规划，克服了已有监测设备中传感器单一的坏处，满意对空间物体三维姿势的实时、高精度、无线监测的要求。体系运用三轴地磁传感器对水平面内的角速度值进行批改，运用三轴加速度计对垂直面内的角速度值进行批改，然后准确丈量空间物体三维姿势。
